ŠTO JE VOLUMETRIJSKA DILATACIJA? (S PRIMJERIMA) - FIZIČKA - 2024

Proširenje volumena je fizički fenomen koji uključuje promjenu tri dimenzije tijela. Volumen ili dimenzije većine tvari povećavaju se kada su izloženi toplini; To je fenomen poznat kao toplinsko širenje, no postoje i tvari koje se zagrijavaju pri zagrijavanju.

Iako su promjene volumena za čvrste tvari relativno male, one su od velike tehničke važnosti, posebno u situacijama kada je poželjno spojiti materijale koji se različito šire.

Oblik nekih krutih čestica se izobličava pri zagrijavanju i može se proširiti u nekim smjerovima i skupiti u drugima. Međutim, kad postoji samo dilatacija u određenom broju dimenzija, postoji takva klasifikacija:

• Linearna dilatacija događa se kada prevladavaju promjene u određenoj dimenziji, poput duljine, širine ili visine tijela.
• Površinska dilatacija je ona gdje prednjači varijacija u dvije od tri dimenzije.
• Napokon, volumetrijska dilatacija podrazumijeva varijaciju u tri dimenzije tijela.

Osnovni pojmovi koji se odnose na toplinsko širenje

Termalna energija

Materija se sastoji od atoma koji su u neprekidnom gibanju, bilo da se kreću ili vibriraju. Kinetička (ili gibljiva) energija kojom se atomi kreću naziva se toplinskom energijom, što se brže kreću, više toplinske energije imaju.

vruće

Toplina je toplinska energija koja se na makroskopskom nivou prenosi između dvije ili više tvari ili s jednog dijela tvari u drugi. To znači da se vruće tijelo može odreći dijela svoje toplinske energije i utjecati na tijelo koje mu je blizu.

Količina prenesene toplinske energije ovisi o prirodi tijela u blizini i okolišu koji ih razdvaja.

Temperatura

Koncept temperature je od temeljne važnosti za proučavanje utjecaja topline, temperatura tijela je mjera njegove sposobnosti prenošenja topline na druga tijela.

Dva tijela koja su u međusobnom dodiru ili odvojena prikladnim medijem (toplinski vodič) bit će na istoj temperaturi ako između njih nema toplinskog toka. Slično tome, tijelo X će biti na višoj temperaturi od tijela Y ako toplina struji iz X u Y.

Koja su osnovna svojstva toplinskog širenja?

Jasno je povezano s promjenom temperature, što je viša temperatura, to je veća ekspanzija. To također ovisi o unutarnjoj strukturi materijala, u termometru je širenje žive znatno veće od širenja čaše koja ga sadrži.

Što je temeljni uzrok toplinskog širenja?

Porast temperature podrazumijeva porast kinetičke energije pojedinih atoma u tvari. U krutini, za razliku od plina, atomi ili molekule su usko povezani, ali njihova kinetička energija (u obliku malih, brzih vibracija) odvaja atome ili molekule jedan od drugog.

Ovo odvajanje između susjednih atoma postaje sve veće i veće i rezultira povećanjem veličine krutine.

Za većinu tvari u uobičajenim uvjetima nema preferiranog smjera u kojem se događa toplinsko širenje, a porast temperature povećava veličinu krute tvari za određenu frakciju u svakoj dimenziji.

Linearna dilatacija

Najjednostavniji primjer dilatacije je ekspanzija u jednoj (linearnoj) dimenziji. Eksperimentalno je utvrđeno da je promjena duljine ΔL neke tvari proporcionalna promjeni temperature ΔT i početnoj duljini Lo (slika 1). To možemo predstaviti na sljedeći način:

DL = aLoDT

gdje je α koeficijent proporcionalnosti koji se naziva koeficijent linearne ekspanzije i karakterističan je za svaki materijal. Neke vrijednosti ovog koeficijenta prikazane su u tablici A.

Koeficijent linearne ekspanzije veći je za materijale koji imaju veće širenje za svaki stupanj Celzijusa kada njihova temperatura poraste.

Površna dilatacija

Kada uzmemo ravninu unutar čvrstog tijela, tako da je ta ravnina ona koja podvrgava toplinskoj ekspanziji (slika 2), promjena površine ΔA dana je:

DA = 2aA0

gdje je ΔA promjena početnog područja Ao, T je promjena temperature, a α koeficijent linearne ekspanzije.

Volumetrijska dilatacija

Kao i u prethodnim slučajevima, promjena volumena ΔV može se aproksimirati odnosom (slika 3). Ova se jednadžba obično piše na sljedeći način:

DV = bVoDT

gdje je β koeficijent volumetrijske ekspanzije i približno je jednak 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, prikazane su vrijednosti koeficijenata volumetrijskog širenja za neke materijale.

Općenito, tvari se šire pod porastom temperature, a voda je najvažnija iznimka od ovog pravila. Voda se širi kad joj se temperatura poveća kad je veća od 4 ° C.

Međutim, širi se i kada joj se temperatura smanji u rasponu od 4 ° C do 0 ° C. Taj se efekt može primijetiti kada se voda stavi u hladnjak, voda se širi kad se smrzne, pa je zbog ovog širenja teško izvaditi led iz spremnika.

Primjeri

Razlike u volumetrijskom širenju mogu dovesti do zanimljivih učinaka na benzinskoj postaji. Primjer je točenje benzina u spremnik koji je upravo napunjen vrućeg dana.

Benzin hladi čelični spremnik kada se izlije, a benzin i spremnik se šire s temperaturom okolnog zraka. Međutim, benzin se širi mnogo brže od čelika, što uzrokuje da curi iz spremnika.

Razlika u ekspanziji između benzina i spremnika koji ga sadrže može uzrokovati probleme prilikom očitavanja mjerača razine goriva. Količina benzina (mase) koja ostaje u spremniku kad mjerač dosegne prazan je ljeti mnogo manji nego zimi.

Benzin ima istu zapreminu na obje stanice kad se upali lampica za upozorenje, ali s obzirom na to da se benzin preko ljeta širi, ima manju masu.

Kao primjer možete uzeti puni čelični spremnik plina, kapaciteta 60L. Ako je temperatura spremnika i benzina 15ºC, koliko će se benzina proliti kad dostigne temperaturu od 35ºC?

Spremnik i benzin povećavat će se u volumenu s porastom temperature, ali benzin će porasti više nego onaj u spremniku. Tako će proliveni benzin biti razlika u promjenama vaše količine. Jednadžba volumetrijske ekspanzije tada se može koristiti za izračunavanje promjena volumena:

Volumen prosipan porastom temperature je tada:

Kombinirajući ove tri jednadžbe u jednu, imamo:

Iz tablice 2 dobivene su vrijednosti koeficijenta volumetrijskog širenja, zamjenjujući vrijednosti:

Iako je ta količina prolivenog benzina relativno beznačajna u odnosu na 60L spremnik, učinak je iznenađujući, jer se benzin i čelik brzo šire.

Bibliografija

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Toplinsko širenje krutih tvari ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Fizika čvrstog stanja: uvod u principe znanosti o materijalima Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fizika, svezak 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elementi klasične fizike Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Toplina i termodinamika. Redakcija Aguilar, 1979.